3D-Druck und Charakterisierung magnetoresponsiver ferronematischer Elastomere

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Joachim Landers; Professorin Dr. Annette M. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492620405

3D-gedruckte magnetoaktive flüssigkristalline Polymere stellen ein spannendes neues Materialkonzept dar, das die synergistische Kombination von programmierbarer Geometrie, (multi)stimuliresponsivem Verhalten (Licht, Temperatur, elektromagnetische Felder) und maßgeschneiderter mikro- und nanoskaliger Ordnung ermöglicht. Insbesondere thermoplastische flüssigkristalline Ionomere, dotiert mit anisotropen magnetischen Nanopartikeln, eröffnen einzigartige Möglichkeiten zur Entwicklung multifunktionaler, weicher Aktuatoren und adaptiver Strukturen für Anwendungen in der Biomedizin, Soft Robotics und intelligenten, reaktiven Materialsystemen. In diesem Projekt zielen wir auf die gezielte Herstellung und systematische Charakterisierung von 3D-gedruckten ferronematischen Hybridmaterialien ab, deren makroskopische Form und mikroskopische Struktur durch die kontrollierte Ausrichtung von Mesogenen und magnetischen Partikeln unter externen Feldern (Fluss, Magnetfeld) präzise gesteuert werden können. Ausgehend von den Erkenntnissen des vorangegangenen Projekts „Orientierungsphänomene in magnetischen Flüssigkristall-Hybridmaterialien“, werden neuartige additiv verarbeitbare 3D-Tinten auf Basis flüssigkristalliner Ionomere entwickelt, die eine optimale Partikel-Matrix-Wechselwirkung, anisotrope Partikeldynamik und fluss- sowie feldinduzierte Orientierung ermöglichen. Zentrale Forschungsfragen beinhalten die Kopplung von rheologischen Eigenschaften, partikulärer Dynamik und makroskopischer Strukturbildung. Hierfür werden Hochtemperatur-Niederfrequenz-AC-Suszeptometrie sowie eine maßgeschneiderte Mössbauer-Spektroskopie-Flusszelle eingesetzt, um die Zeitskalen und Feldabhängigkeit der Orientierung magnetischer Nanopartikel in fließenden Medien zu entschlüsseln. Der 3D-Druckprozess wird so optimiert, dass die nanoskaligen Ordnungsparameter und deren Einfluss auf die endgültige Struktur bestmöglich kontrolliert werden können. Zusätzlich soll die Orientierung der Dotierungsagentien während des Druckprozesses durch externe Magnetfelder ermöglicht werden. Die charakterisierten Werkstücke werden mittels einer Kombination hochauflösender Mössbauer-Spektroskopie und Streuverfahren (SAXS, WAXS) und mechanischer Methoden auf lokale Ordnung, ferronematische Kopplung, strukturelle Hierarchie und ihr magnetomechanisches Verhalten untersucht. Dieses Projekt verfolgt das langfristige Ziel, die Grundlagen für die Entwicklung multifunktionaler, multiferroischer Hybridmaterialien zu legen, welche durch additive Fertigung in komplexen, funktionellen Architekturen realisiert werden können. Die Ergebnisse tragen maßgeblich zur Weiterentwicklung von responsiven Materialsystemen bei, die sich selbst adaptieren, reagieren und in zukünftigen Technologien wie implantierbaren Medizinprodukten, autonomen Robotersystemen oder neuartigen Sensoren eine Schlüsselrolle spielen könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen